SiC 분말상의 무전해 니켈 도금에 관한 연구

강 민, 김진원, 김영길*, 이재의

아주대학교 화학공학과, 오산대학교 제화공업과*

Electroless Nickel Plating on SiC Powder with

Hypophosphite as a Reducing Agent

Min Kang, Jin-Won Kim, Young-Kil Kim*, Jae-Eui Yie

Department of Chemical Engineering, Ajou University

Department of Shoemaking Industry, Osan College*

서   론

세라믹스나 플라스틱과 같은 비전도성 소재위에 도금을 하기 위해서는 소지 표면의 친수성화 및 촉매화가 필연적으로 요구되고 있다. 이 같은 처리는 최종도금층의 소지층과의 밀착성이나 도금표면의 외관에 큰 영향을 끼치고 있다.

일반적으로 이 같은 처리는 불화물을 함유한 액을 이용한 에칭과정을 통해서 화학적으로 표면을 조화시키며, 동시에 소수성인 비전도성 소재의 도금전처리로서 매우 중요하게 취급되고 있으나 이들에 관한 연구는 거의 없는 형편이다[1].

무전해니켈 도금욕으로부터 얻어진 Ni-P 도금피막은 내마모성, 내식성, 자기적 성질, 균일전착성, 그리고 기계적 성질 등 여러 우수한 성질 때문에 산업기계부품, 자동화부품, 자동차부품 및 전자통신부품 등에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다. 전기니켈 도금피막과는 달리 무전해 니켈 도금피막은 인을 함유하고 있기 때문에 피막층의 결정구조가 비정질의 형태와 결정질의 형태 모두를 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다[2].

세라믹스 분말 및 유기상 분말의 무전해 도금에 대해서는 Ni-graphite, Cu-graphite, Cu-SiC 등 일부 시스템의 개발 결과만 보고되고 있으나, 공정에 대해서는 거의 보고되고 있지 않다. 특히 세라믹스상의 금속 도금은 화학적 방법 또는 증착에 의해 세라믹스 시편을 만들어서 시도한 경우는 많으나 분말상에서의 도금은 거의 시도된 적이 없다. 따라서 화학적 방법에 있어서의 에칭방법 및 전처리 활성화 방법이 기존의 시편을 이용한 방법과는 많은 차이점의 여부가 확실하지 않으며, 분말 개개입자를 화학 반응에 균일하게 노출시킬 수 있는 방법이 필요하다[3].

본 연구에서는 강도가 높고 물리화학적으로 안정하며, 넓은띠 간격, 높은 열전도도, 높은 전자포화표류속도, 그리고 높은 파괴전압을 나타내기 때문에 고온, 고속, 고주파, 고출력 전자기술에 이용되는 탄화규소(SiC)를 대상으로 전처리 공정 및 도금 조건의 변화에 따른 도금층의 변화에 대해 조사하였다.

실   험

본 연구에서는 평균크기 44□ SiC(Green Ceratec)를 사용하여 무전해 도금을 수행하였다. 니켈도금에 앞서 SiC 입자상에 에칭, 민감화, 활성화의 과정을 수행하였으며, 각 과정 후에는 충분한 세정단계를 거쳤다. 무전해 니켈도금욕의 조성은 Table 1에 나타내었다. 입자들은 수용액 상에서 충분한 분산을 위하여 각 공정동안 서서히 교반(250rpm)하고, 증류수로 세정하였다.

에칭은 49% HF 용액을 에칭액으로 실온에서 교반하는 전형적인 방법대신 마이크로파를 사용하여 실시하였다. 예비 실험에서 HF를 사용해 상온에서와 60℃의 온도에서 에칭을 행하는 방법은 에칭속도가 너무 느리고, 매우 긴 시간이 요구되었다. 따라서 에칭속도를 증가시키면서 동시에 효과적인 접촉이 가능한 마이크로파 처리를 수행하였다. 실험은 2.45GHz의 발진주파수와 700W의 마이크로파 출력의 마이크로파 시스템을 사용하였으며, 에칭시간은 30초에서 5분까지 실시하였다.

도금욕에 첨가한 SiC 분말의 양은 10g/L이며 교반을 하면서 모든 입자는 무전해 니켈용액에 노출시킨다. 도금욕은 pH 4.5의 산성조건과 온도는 90℃에서 실시하였으며, 도금 시간은 5분에서 60분까지 실시하였다.

무전해 니켈도금의 표면형태구조는 SEM을 사용하여 조사하였고, EDX를 사용하여 금속-코팅층과의 성분을 정성 정량분석 하였다. 또한 코팅결정상의 분석은 XRD를 이용하여 조사하였다.

Table 1. Composition of the Electroless Nickel Bath

Chemical	Concentration
NiCl2·6H2O	30g/L
NaOOCCH2CH2COONa	10g/L
H2NCH2COOH	10g/L
NaH2PO2·H2O	20g/L
Pb(NO3)2	2.5mg/L

실험결과

에칭, 민감화 그리고 활성화 처리 등의 전처리 과정에 의한 SiC의 표면변화상태를 분석하였으며, 또한 도금조건이 니켈 도금층 석출에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

차아인산나트륨을 환원제로 하는 전형적인 무전해 니켈도금액을 사용하였으며, 그림 1에 44□ SiC 입자를 49% HF 용액에서 30초에서 5분까지 시간을 변화시키면서 에칭한 후의 표면미세조직을 나타내었다. 시간에 따라 에칭정도가 좋아지기는 하나 SiC의 내식성이 우수하고, 화학적으로 매우 안정하기 때문에 만족할 정도의 상태를 얻을 수는 없었다. 에칭이 무전해 도금에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 에칭시간을 달리한 SiC 입자를 시료로하여 무전해 니켈도금한 표면의 형태구조를 그림 2에 제시하였다. 도금전이 매끄럽고, 퇴적물이 전혀 없는 표면인데 비해서(그림 1) 도금 후의 SiC 표면은 니켈 코팅 입자가 균일하게 분포되어 SiC 표면에 코팅되어 있는 것을 볼 수 있었다(그림 2). 또한 도금시간의 증가에 따라 도금속도가 증가하였다. 시간에 따른 SiC 입자에 무전해 니켈도금층의 성장을 그림 3에 나타내었다. 처음 5분 동안은 도금이 거의 진행되지 않음을 알 수 있었고, 30분이 되면서 도금층의 두께가 1□ 이상일 정도로 도금이 진행되었으며, 1시간 후에는 거의 2□정도의 두께를 가진 균일한 니켈 도금층을 보여주었다. 무전해 니켈도금층은 EDX분석을 통하여 Ni-P의 합금 형태인 것을 확인할 수 있었으며, ICP-AAS 분석 결과 최종조성이 2.42∼3.01wt%의 인(P)과 18.6∼21.0wt%의 니켈 도금층을 형성하였다.

참고문헌

[1] H. Honma and K. Kanemitsu, Plating & Surface Finishing, September 1987; 62

[2] J .N. Balaraju and S. K. Seshadri, Metal Finishing, July 1999; 8

[3] W-S. Chung, S-Y. Chang and S-J. Lin, Plating & Surface Finishing, March 1996; 68

[4] C. A. Leon, R. A. L. Drew, J. Mat. Sci., 35 (2000) ;4763-4768

[5] J. N. Balaraju and S. K. Seshadri, Metal Finishing, 1999; 8

(a) No etching

(b) 30sec

(c) 100sec

(d) 200sec

Figure 1. Surface morphology of SiC ceramics etched with 49% HF for various times.

(a) 30sec

(b) 100sec

(c) 200sec

(d) 300sec

Figure 2. Surface morphology of Ni-coated SiC ceramics for various etching times(90℃, 60min).

(a) 5min

(b) 30min

(c) 60min

Figure 3. Photomicrographs of coated SiC particles with typical plating conditions after (a) 5min, (b) 10min, (c) 30min.